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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 6 H( G* J" X/ A2 E5 [6 d
    9 t" O0 L" s3 Z2 u% v- J
    前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。
    # y4 {- V. l% c/ I& x4 S7 F: X/ E* K$ c
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    % b" h% c3 d9 _4 O: a2 z# r& r8 y$ h& H
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    & `5 b  Q8 e  d3 ~  y9 I, ~* x8 O2 L( w& |! w1 `! W* i, {
    氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。. J5 m. p( }7 ~0 R1 U' q2 k

    & O! g% Q- z4 K; S9 I当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。
    3 \/ t( u0 W( O0 Y' Z7 N& {" `* k* ~; V( z$ ?: }
    定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?9 f3 z! `5 B( V, u% o' j. z7 I
    , R# E6 u; ^" d+ ?
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。6 x; H" k1 m1 |. j5 Q% c/ X, N
    4 T* _! g7 [( z% A/ u$ S
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
    $ ~$ ]! K8 w3 x
    % y4 V* V$ x; v4 s* j: g不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。: B' l% _2 `6 @7 ^( x; L/ I; T8 ]5 h
    0 w6 ~$ ]  v% a& j: v# l; }/ P5 h: N
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。0 A; X8 G0 Q9 C7 l# C: c

    $ p3 e8 @5 q! t" L说些个大家可能百度不到的。
    & W; b7 M) f- r
    ) @. G  A" S) h% d# ~===前方高能===
    ! S2 g: x: M$ G5 O- S# f" o" |2 Y9 u8 z% R
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。8 U0 w" d! ?. _* |, ]+ E' J+ U) w
    " G; S5 N% R) b& D4 T
    那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    5 V, {5 Z8 i+ r6 I7 v/ U" q! W1 S0 W2 v5 {3 P1 `* h$ F
    & {! p  H9 k8 i6 @$ Y
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    1 v, v! V5 z1 P* i1 B0 f. T) c7 E' E0 I9 K" B& z0 Y% Z
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!
    - `2 j9 }& \$ D6 m4 {+ W/ z5 k" p: {& c/ f" \6 d
    那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。, `9 V; |5 p; M# H* V0 U, c- P$ J

    , n' a3 J: [5 g# U  n1 D时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。
    # y' \" F- x6 L9 a4 G7 {- I2 J& m; l/ {) q  G
    1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。
    9 \% q8 t1 d1 \$ [) X: G5 L/ c1 L! d/ I* r
    1986年,十的负十四次方。
    ) P) l& ?  \( X8 K* \
    2 k2 P5 i7 u1 a1 N0 h2003年,十的负十五次方。& O/ E4 G" K) w. B% C9 ?

    3 Z7 l( Z2 X, d1 }6 G. }2017年,十的负十六次方。
    & g8 ?: a, F9 i. ^; r: S' G( }  x. ], i& J. V# I2 U3 ]
    这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。2 f5 T1 I2 T, O# O6 h

    ! O& I& S+ D: v3 J3 Y: v" G3 z。。。
    2 q6 w$ c7 {% |' H$ i* E' \. g' |) V# Z# m

    : s& Y6 _& x7 k* x, h/ W今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。7 D/ G; _* I, G* ^
    ( E( z& U/ j; `4 b% @

    2 `+ Y3 l- s/ `4 o& ]- ^0 e0 i+ E0 W5 c4 _. r3 y

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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。7 P: J4 b# }5 g7 r# p$ l4 ?
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    奋斗
    昨天 08:56
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2026-6-18 11:07
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    8 e  {1 J" T7 `- C, r% T" ^5 ^$ k' |% S& E7 q) |! ]" v
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);3 z# d. |# _/ a/ Y/ G2 S( N
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    : ?$ @1 L! f1 ^. c& d, D谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    2 小时前
  • 签到天数: 3860 天

    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45+ @& I& }$ q, V) k, O
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    , M: j3 a! f7 A, D8 f$ e
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
      C( N1 _* Q- u! w1 J他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-7-24 07:14

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56$ Q" ^: X: c* E4 B# \, X
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    $ @1 y* i, I  W9 m他 ...

    7 o% c' D( ^1 H( d短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好; ^$ }( C5 L% u, w7 a% e
    5071A好像这两年不好买了
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    半小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    # w: C" [/ w: L, a$ `短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 O! [8 ?1 U- u' d9 G4 b$ P5071A好像这两年不好买了
    4 Z+ V2 o8 U4 K! B7 P) S. v; A: ?
    这个短稳长稳有出处嘛?# I% b' t: R7 N6 Z4 x
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~2 H  t6 ]( u) x+ C  I0 \8 S! t8 U
    所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56$ h+ h1 r0 \4 F! }
    这个短稳长稳有出处嘛?
    8 `" w" O4 x! R. A8 t) y/ Z/ b铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    ; q6 ~; f! J2 @/ {* O9 b6 \; t6 ]( V
    . B: Y* e4 g6 ~& `# ~: e9 v
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ _$ _% ~: g, o5 Y0 F& g
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
    ) W$ k& ?0 E# T原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    4 ]7 A& e: W/ }, i他 ...

    - C6 K% Z3 @5 }安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:484 t% D" [! I* v% I6 m0 d, v9 w
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ d7 l# T/ r: |% F* y9 T9 g
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    " G# k: Q, B. H- h$ R9 b
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    " \" o# H7 u5 U4 g! b6 ~; g冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    : N& C) f# _4 R. x/ f6 Y+ H

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35$ {6 }& I1 W) D. o/ w
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。$ F! _" h" K0 i: ?2 _* {+ t
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    * [% n. \# }! M6 i' l
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    1 B% }) o( K% S  _4 M& A从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    6 b1 V  d+ F# v时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    " Z6 `* W; q8 l! b2 ]安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    # }% {: f, E% h9 @嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    奋斗
    7 天前
  • 签到天数: 18 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:330 i1 T  a, H4 A0 ]+ q* u- D: f
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    # z) r" Z! ^3 ^2 K从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    # s: P. ]5 M, ?; b1 e' d时间基准据说 ...
    + p# S, i8 P: D9 G
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    7 n9 V2 x2 n" f3 y请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    4 t. Q0 o5 g$ k$ f
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整
    4 W. M" e/ G- ?1 v* ~: D$ Q4 t; o# D4 n) q' O" t5 D
    不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    奋斗
    7 天前
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    5 g& [, Q% Q  g+ J2 L如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    ! f! n& p, o7 U0 }7 J* T
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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